Modellbasierte, adaptive Prozessregelung für das Laserstrahlstrukturieren

Das Laserstrahlstrukturieren ist ein innovatives Verfahren, um Strukturen in Oberflachen einzubringen und diese so zu funktionalisieren. Dies konnen z. B. technische Strukturen auf bewegten Komponenten zur Reibungsreduzierung oder Designstrukturen auf Werkzeugen zur replikativen Fertigung sein. Dabei wird ein hochenergetischer, gepulster Laserstrahl durch zwei bewegliche Scannerspiegel auf das Bauteil gelenkt, wo der Laserstrahl in mehreren Schichten Material verdampft und so die gewunschte Geometrie erzeugt. Das Einstellen der Prozessparameter stellt den Bediener vor besondere Herausforderungen, da es durch die Vielzahl von Parameterkombinationen und Einflussfaktoren nicht moglich ist, die Abtragtiefe der Geometrie ohne umfangreiche Parameterstudien vorherzusagen. Die Scannerspiegel mssen sich mit einer mglichst konstanten Geschwindigkeit bewegen, um eine Konzentration von Laserpulsen in der Beschleunigungs- oder Abbremsregion zu vermeiden. Um einen gleichmigen Abtrag gewhrleisten zu knnen, wurde in dieser Dissertation ein Beschleunigungskompensationsalgorithmus entwickelt, welcher ein Regressionsmodell sowohl fr den geschwindigkeitsabhngigen Schleppverzug als auch fr den Bereich der Beschleunigung nutzt. Dieser Algorithmus legt durch eine intelligente Bahnfhrung die Beschleunigungs- und Abbremsregionen in Bereiche, in denen der Laser deaktiviert ist. Die dafr bentigten Parameter werden erstmalig in einem automatisierten Verfahren ermittelt und im System eingestellt. Im Ergebnis sorgt die Kalibrierung fr eine gleichfrmige Bewegung des Laserstrahls auf dem Bauteil und verhindert so ungewnschte Einbrandeffekte. Trotz des nun gleichmigen Abtrags ist durch die Vielzahl an Einflussfaktoren eine verbindliche Vorhersage der Abtragtiefe nicht mglich. In dieser Arbeit wurde erstmalig eine adaptive Online-Regelung fr den Abtragprozess implementiert, die regelmig die aktuelle Abtragrate berwacht und Prozessparameter entsprechend automatisch einstellt. Dazu wurde ein LCI-basiertes Messgert (Low Coherence Interferometry) in die Prozesskette integriert, welches die aktuelle Abtragsituation direkt durch den Strahlengang des Prozesslasers misst. Nach einem Teilabtrag wird eine Messung durchgefhrt und mit diesem Messwert wird der Abtrag pro Schicht fr die bereits bearbeiteten Schichten berechnet. Mit dieser Information werden die folgenden Schichten berechnet. Am Ende des Prozesses wird so die gewnschte und programmierte Abtragtiefe automatisch erreicht.